マスフローコントローラ

マスフローコントローラ (MFC)について

マスフローコントローラ（MFC）は、質量流量を制御するための装置で、特に化学工場や半導体工場、宇宙関連の分野で広く利用されています。MFCは単なる流量計ではなく、流量のセンシング機能と制御機能を併せ持っているため、非常に精度の高い流量管理が可能です。

質量流量計と体積流量計の違い

体積流量計は、ボイル＝シャルルの法則に基づくため、温度や気圧の影響を受けやすいという特性があります。一方、質量流量計では質量が変わらないため、これらの外部要因に対して安定した測定が可能です。特に、MFCは流量制御を行いながら質量流量を測定することができる点で、体積流量計に対する大きな利点があります。

MFCの用途

MFCは、化学反応や様々な工程での流量管理が求められる場面で特に重要です。例えば、半導体製造では化学物質の正確な流量が品質に直結するため、信頼性の高い流量管理が必須となります。また、宇宙事業では常に変わる気圧環境においても、正確な流量制御が不可欠です。

MFCの原理

MFCは主に、熱式、コリオリ式、ノズル式の3つの方式で質量流量を測定します。特に熱式では、流れによって生じる温度差を利用し、流量をセンシングします。具体的には、ガスが流れることで上流と下流の温度に差が生じ、その温度変化を抵抗を用いて検出します。この方式により、流量を電気信号で出力することができます。

流量制御は、外部から入力された設定信号に基づき、PID制御を用いて調整されます。通常は電磁弁（ソレノイドバルブ）が流量を制御し、精緻な管理を実現しています。

使用上の注意

ガスの種類によって比熱が異なるため、使用するMFCはそれぞれ特定のガス専用のものを選ぶ必要があります。同じ装置でも、流すガスの組成によって異なる流量表示を示す可能性があります。そのため、適切なガス専用の機器を用いることが推奨されます。

歴史的背景

マスフローコントローラの発明に関しては諸説ありますが、特に1970年代のアポロ宇宙計画において使用されたことが知られています。この技術が注目されたのは、宇宙空間の異なる気圧環境下で、従来の体積流量計が持つ限界を克服するためです。MFCは圧力を測定せずに流量を算出できるため、宇宙環境下でも高い精度を保つことが可能となりました。

ノズル式の特性

MFCの一形態であるノズル式は、特定の圧力差が生じた場合に急速に流量を測定できる特性があります。この仕組みは、臨界流れと呼ばれる現象に基づいており、気体の流れが音速を超えるときに生じる特異な動きを利用します。このため、上流と下流の圧力の差が設定された値以上になる必要があります。

まとめ

マスフローコントローラは、各種産業で重要な流量管理機器として機能しています。流量管理が精密かつ効率的に行える点は、特に化学工業や半導体製造、宇宙事業においてその真価を発揮します。性能を最大限に引き出すためには、適切に設計された専用機器を使用することが重要です。

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